Sistem Penguji Kualitas Air Minum Berdasarkan Nilai Konduktivitas

BAB II
DASAR TEORI
Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara lain
mengenai Elektrolit, Konduktivitas larutan, Derajat Keasaman / pH, Hubungan Suhu
dengan kondukvitas dan pH, Mikrokontroler Arduino Mega 2560, LCD karakter 20x4,
Keypad 4x4, IC Optocoupler PC817, IC ULN2803, Relay DC 12v, EC Probe, dan pH
probe.
2.1.
Elektrolit
Elektrolit merupakan materi yang dapat menghantarkan arus listrik dengan jalan
perpindahan ion-ionnya. Banyak nya arus listrik yang dihantarkan tergantung pada jenis zat
nya, ada zat yang menghantarkan arus listrik dengan baik, ada yang kurang baik, dan
bahkan ada yang tidak menghantarkan arus listrik sama sekali. Dengan demikian elektrolit
dapat di klasifikasikan dalam tiga kategori, yaitu elektrolit kuat, elektrolit lemah, dan non
elektrolit.
Zat yang termasuk dalam elektrolit kuat yaitu garam, asam kuat dan basa kuat.
Garam elektrolit kuat yang mudah larut dalam air misalnya NaCl dan KCl. Kemudian yang
termasuk dalam elektrolit lemah adalah zat-zat yang bila dilarutkan ke dalam air terionisasi
sebagian saja, termasuk pula asam lemah dan basa lemah [2].
2.1.1.
Daya Hantar Listrik (Konduktivitas)
Daya Hantar listrik atau konduktivitas menunjukkan kemampuan dari sebuah
larutan untuk menghantarkan arus listrik. Konduktivitas merupakan ukuran terhadap
konsentrasi total elektrolit di dalam air. Kandungan elektrolit yang pada prinsipnya
merupakan garam-garam yang terlarut dalam air, berkaitan dengan kemampuan air di
dalam menghantarkan arus listrik. Semakin banyak garam-garam yang terlarut semakin
besar daya hantar listrik air tersebut. Air suling tidak mengandung garam-garam terlarut,
sehingga
dengan demikian bukan merupakan penghantar listrik yang baik [3].
4
Konduktivitas digunakan untuk pengukuran larutan / cairan elektrolit. Konsentrasi elektrolit
sangat menentukan besarnya konduktivitas[4].
Ada kaitan yang jelas antara resistansi (elektrik), konduktivitas (elektrik), dan TDS
air. Jika dilihat dari satuannya berturut-turut adalah ohm (Ω), mho (Ʊ), dan part per million
(ppm). Satuan mho adalah seper-ohm atau siemen (S) [5].
Conductance (G) didefinisikan sebagai kebalikan dari hambatan listrik (R) di antara
dua elektroda dalam sebuah larutan.
G = 1/R (S)
(2.1)
Kemudian terdapat pula Cell Constant, yang merupakan rasio jarak antar elektroda
dengan luas penampang elektroda yang masuk ke dalam larutan.
K = d/a (cm-1)
(2.2)
Dimana, d = jarak antar kedua elektroda dalam cm, a = luas penampang elektroda
yang kontak dengan media air dalam cm2. Besarnya Cell Constant mempengaruhi jarak
pengukuran konduktivitas optimal, Berikut adalah tabel yang menunjukkan jarak ukur
konduktivitas optimal dari elektroda dari 3 nilai Cell Constant yang berbeda:
Tabel 2.1. Jarak ukur konduktivitas optimal dari elektroda dari 3 nilai
Cell Constant yang berbeda [6].
Cell Constant
Jangkauan pengujian konduktivitas optimal (µS/cm)
0,1
0,5 - 400
1,0
10 - 2000
10,0
1000 – 200.000
Sehingga didapatkan persamaan untuk menghitung besarnya daya hantar listrik atau
konduktivitas [] [6],
 = G . K (S/cm)
5
(2.3)
=
(S/cm)
(2.4)
Total Dissolved Solids atau TDS adalah ukuran total ion yang larut dalam larutan.
Dalam larutan encer, TDS dan konduktivitas cukup sebanding. TDS sampel air berdasarkan
nilai konduktivitas yang terukur dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.
[7]:
TDS (ppm ) = 0,5 x 1000 x  (mS/cm)
(2.5)
Hubungan antara konduktivitas dengan jumlah total garam terlarut secara tepat perlu
diberi beberapa koreksi seperti temperatur pengukuran, mapupun tergantung juga dengan
jenis garam yang terlarut, tetapi secara umum nilainya sedikit banyak dapat mewakili.
Hubungan antara harga konduktivitas dan macam air seperti terlihat pada Tabel 2.1
Tabel 2.2. Klasifikasi air berdasarkan harga konduktivitas [8]
konduktivitas (mS/cm pada 25oC)
Macam Air
0,055
Air murni
0,5 – 5,0
Air suling
5 – 30
Air hujan
30 – 2000
Air tanah
35.000 – 45.000
Air laut
2.1.2. Keasaman Air (pH)
Keasaman air dinyatakan dengan pH, mempunyai besaran mulai dari 1 – 14. Air
yang mempunyai pH 7 adalah netral, sedangkan yang mempunyai pH lebih besar/kecil dari
7 disebut bersifat basa/asam. Jadi air yang mengandung garam Ca atau Mg karbonat,
bersifat basa (pH 7,5-8), sedangkan yang mempunyai harga pH < 7 adalah bersifat asam,
sangat mudah melarutkan Fe, sehingga air yang asam biasanya mempunyai kandungan besi
(Fe) tinggi. Pengukuran pH air di lapangan dilakukan dengan pH meter, atau kertas lakmus
[8].
6
2.1.3.
Hubungan Konduktivitas, Pergerakan Ion dan Temperatur
Sesuai dengan percobaan yang dilakukan oleh Lanto Mohamad Kamil Amali,
besarnya nilai konduktivitas dari air akan mempengaruhi nilai TDS air tersebut. Ini
dikarenakan nilai TDS air yang semakin besar maka ion yang terlarut dalam air semakin
tinggi. Karena nilai konduktivitas air dipengaruhi banyaknya pergerakan ion yang terlarut.
Semakin banyak ion terlarut yang bergerak maka semakin tinggi nilai konduktivitasnya[9].
Selain dari pergerakan ion dalam air, nilai konduktivitas air dipengaruhi oleh
perbedaan suhu. Sesuai dalam sebuah penelitan dari Departemen Teknik Gas dan
Petrokimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia oleh Eva Fathul Karamah dan Adhi
Septiyanto dengan jurnal berjudul “Pengaruh Suhu dan Tingkat Keasaman (pH) pada
Tahap Pralakuan Koagulasi (Koagulan Aluminum Sulfat) dalam Proses Pengolahan Air
Menggunakan Membran Mikrofiltrasi Polipropilen Hollow Fibre”, Peningkatan suhu akan
meningkatkan kecepatan gerak partikel sehingga semakin banyak tumbukan antar partikel
yang dapat terjadi yang akhirnya mempercepat terbentuknya flok. Dengan terbentuknya
flok maka nilai konduktivitas air akan menurun. Namun, saat suhu optimum telah tercapai,
peningkatan suhu tidak lagi memperbesar ukuran flok, karena kelarutan flok meningkat
seiring dengan peningkatan suhu [10].
Pengukuran
konduktivitas
bergantung
dengan
suhu,
sejauh
mana
suhu
mempengaruhi konduktivitas bervariasi dari solusi ke solusi dan dapat dihitung dengan
menggunakan rumus berikut[12]:
(2.6)
Dimana, G = konduktivitas pada sembarang temperatur T dalam oC, Gcal =
konduktivitas pada suhu kamar 25oC, α = koefisien temperatur dari larutan air sebesar
0,0214 pada temperatur 25oC [5], Tcal = 25oC .
7
2.1.4.
Hubungan Keasaman Air dan Temperatur
Besarnya derajat keasaman dalam sebuah air berhubungan dengan suhu yang
terukur. Ketika suhu berubah, pH actual larutan akan terjadi perubahan. Akan tetapi
perubahan ini bukan merupakan sebuah kesalahan yang disebabkan oleh perubahan suhu.
Ini adalah besar pH sebenarnya dari larutan pada suhu yang baru. Karena ini bukan sebuah
kesalahan, tidak perlu untuk memperbaiki atau mengkompensasi efek suhu ini. Hanya ada
satu efek yang menyebabkan efek suhu larutan mempengaruhi pengukuran pH dan
sekaligus menyebabkan kesalahan dalam pembacaan, yaitu perubahan respon atau
sensitifitas elektroda ke pH yang dihasilkan dari perubahan suhu[11].
Besar nya temperature-error ini sangat dekat, hanya sebesar 0,003 pH/ oC/pH dari
pH buffer pH7. Dalam elektroda pH yang masih dalam kondisi benar-benar baik atau
sempurna, dengan melihat acuan tepat pada pH buffer pH7, tidak akan ada efek dalam
perubahan suhu pada sensitivitas elektroda, seberapapun besarnya perubahan tersebut.
Kebanyakan elektroda pH tidak sempurna, tetapi kesalahan dari perubahan suhu masih
sangat dekat jika dilihat dari acuan pH7, lebih kurang 1pH, dan sehingga bisa diabaikan.
Akan tetapi, bila larutan yang diukur jauh dari pH7, semakin besar perubahan suhu,
semakin besar kesalahan pengukuran karena perubahan sensitivitas elektroda. Dalam hal ini
akan diperlukan pengkompensasi suhu terhadap pH[11].
2.2.
Arduino Mega2560
Arduino Mega2560 adalah papan mikrokontroler berbasiskan ATmega2560.
Arduino Mega2560 memiliki 54 pin digital input/output, dimana 15 pin dapat digunakan
sebagai output PWM, 16 pin sebagai input analog, dan 4 pin sebagai UART (port serial
hardware), 16 MHz kristal osilator, koneksi USB, jack power, header ICSP, dan tombol
reset.
8
Gambar 2.1. Konfigurasi pin mikrokontroler Arduino Mega2560[13].
Gambar 2.1 adalah konfigurasi pin dari mikrokontroler Arduino Mega2560
dengan penjelasan fungsi-fungsinya sebagai berikut [13]:
1.
VCC adalah untuk masukan digital voltage supply.
2.
GND adalah pin ground.
3.
ADC Port (PF0 - PF7 , PK0 - PK7) digunakan untuk input ADC (Analog to
Digital Converter). Terdapat total 16 pin ADC yang dapat digunakan.
4.
Digital Port (PA0-PA7, PB0-PB7, PC0-PC7, PD0-PD3, PE0, PE1, PE3PE5, PG0-PG2, PG5, PH0, PH1, PH3-PH6, PJ0-PJ1, PL0-PL7, ) Masingmasing dari 54 digital pin pada Arduino Mega dapat digunakan sebagai
input atau output, menggunakan fungsi pinMode() , digitalWrite() , dan
digitalRead(). Arduino Mega beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin
dapat memberikan atau menerima arus maksimum 40 mA dan memiliki
9
resistor pull-up internal (yang terputus secara default) sebesar 20-50 kOhms.
Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus, antara lain:
a. Serial : 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1 : 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2 :
17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3 : 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan
untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pins 0
dan 1 juga terhubung ke pin chip ATmega16U2 Serial USB-to-TTL.
b. Eksternal Interupsi : Pin 2 (interrupt 0), pin 3 (interrupt 1), pin 18
(interrupt 5), pin 19 (interrupt 4), pin 20 (interrupt 3), dan pin 21
(interrupt 2). Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah
interupsi pada nilai yang rendah, meningkat atau menurun, atau
perubah nilai.
c. SPI : Pin 50 (MISO), pin 51 (MOSI), pin 52 (SCK), pin 53 (SS). Pin
ini mendukung komunikasi SPI menggunakan perpustakaan SPI. Pin
SPI juga terhubung dengan header ICSP, yang secara fisik
kompatibel dengan Arduino Uno, Arduino Duemilanove dan Arduino
Diecimila.
d. LED : Pin 13. Tersedia secara built-in pada papan Arduino
ATmega2560. LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin diset
bernilai HIGH, maka LED menyala (ON), dan ketika pin diset
bernilai LOW, maka LED padam (OFF).
e. TWI : Pin 20 (SDA) dan pin 21 (SCL). Yang mendukung komunikasi
TWI menggunakan perpustakaan Wire. Pin ini tidak di lokasi yang
sama dengan pin TWI pada Arduino Duemilanove atau Arduino
Diecimila.
5.
RESET. Jalur LOW ini digunakan untuk me-reset (menghidupkan ulang)
mikrokontroler. Jalur ini biasanya digunakan untuk menambahkan tombol
reset pada shield yang menghalangi papan utama Arduino.
6.
XTAL1 dan XTAL2 berfungsi sebagai pin external clock.
7.
AVCC adalah pin tegangan supply untuk ADC.
8.
AREF. Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan fungsi
analogReference().
10
2.3.
Sensor Suhu IC (Integrated Circuit) LM35
Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk
mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki
keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang
lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi
sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian mikrokontroler. Pada
gambar 2.2 menunjukkan konfigurasi pin IC LM35:
Gambar 2.2. Konfigurasi pin Sensor Suhu IC LM35[14]
Gambar 2.2 adalah konfigurasi pin dari Sensor Suhu IC LM35 yang memiliki
fungsi masing-masing adalah pada pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja atau +Vs
dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau V out dengan
jangkauan kerja dari 0 volt sampai dengan 1,5 volt dengan tegangan operasi sensor LM35
yang dapat digunakan antara 4 volt sampai 30 volt. Keluaran dari sensor ini akan naik
sebesar 10mV setiap derajat celcius sehingga secara prinsip sensor akan melakukan
penginderaan pada setiap perubahan suhu 1oC akan ditunjukkan tegangan naik sebesar
10mV [14].
2.4.
IC (Integrated Circuit) PC817
IC PC817 atau Optocoupler merupakan merupakan komponen penggandeng
(coupling) antara rangkaian input dengan rangkaian output yang menggunakan media
cahaya (opto) sebagai penghubung. Optocoupler sendiri terdiri dari 2 bagian, yaitu
pengirim (transmitter) dan penerima (receiver). Gambar 2.3 menunjukkan konfigurasi pin
dari IC PC817:
11
Gambar 2.3. Konfigurasi pin IC PC817 [15]
Pada bagian pengirim (pin 1 dan pin 2) dibangun dari sebuah LED infra merah.
Jika dibandingkan dengan menggunakan LED biasa, LED infra merah memiliki ketahanan
yang lebih baik terhadap sinyal tampak. Cahaya yang dipancarkan oleh LED infra merah
tidak terlihat oleh mata telanjang. Kemudian pada bagian penerima (pin 3 dan pin 4)
dibangun dengan dasar komponen fotodioda. Fotodioda merupakan suatu transistor yang
peka terhadap cahaya. Suatu sumber cahaya menghasilkan energi panas, begitu pula dengan
spektrum infra merah, Karena spektrum infra mempunyai efek panas yang lebi besar dari
cahaya tampak,maka fotodioda lebih peka untuk menangkap radiasi dari sinar infra merah.
Ditinjau dari kegunaan fisik optocoupler dapat berbentuk bermacam-macam.
Bila hanya digunakan untuk mengisolasi level tegangan atau data pada sisi transmitter dan
sisi reseiver, maka optocoupler ini bisasanya dibuat dalam bentuk solid (tidak ada ruang
antara LED dan fotodioda). Sehingga sinyal listrik yang ada pada input dan output akan
terisolasi. Dengan kata lain optocoupler ini di gunakan sebagai optosilator jenis IC.
2.5.
IC (Integrated Circuit) ULN2803
IC ULN 2803A merupakan driver yang didalamnya berisi rangkaian transistor
darlington 8 pasang yang dapat digunakan untuk mendriver sebuah beban yang terkontrol
dan dapat mengalirkan arus sebesar 500 mA. Aplikasi IC ULN2803 sebagai driver adalah
untuk mendriver relay, lampu DC atau LED, dan untuk sistem pensaklaran yang lain. Pada
skripsi ini penulis menggunakan IC ULN2803 sebagai driver untuk mengaktifkan relay.
Gambar 2.4 menunjukkan konfigurasi pin ULN2803 beserta susunan transistor darlington
yang terdapat didalamnya:
12
Gambar 2.4. Konfigurasi IC ULN2803[16].
2.6.
Relay
Relay adalah saklar elektronik yang dapat membuka atau menutup rangkaian
dengan menggunakan kontrol dari rangkaian elektronik lain. Sebuah relay tersusun atas
kumparan, pegas, saklar (terhubung pada pegas) dan 2 kontak elektronik (normally close
dan normally open).
a. Normally close (NC) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay tidak aktif atau
dapat dikatakan saklar dalam kondisi tertutup.
b. Normally open (NO) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay aktif atau dapat
dikatakan saklar dalam kondisi terbuka.
Berdasarkan pada prinsip dasar cara kerjanya, relay dapat bekerja karena adanya
medan magnet yang digunakan untuk menggerakkan saklar. Saat kumparan diberikan
tegangan sebesar tegangan kerja relay maka akan timbul medan magnet pada kumparan
karena adanya arus yang mengalir pada lilitan kawat. Kumparan yang bersifat sebagai
elektromagnet ini kemudian akan menarik saklar dari kontak NC ke kontak NO atau
sebaliknya. Jika tegangan pada kumparan dimatikan maka medan magnet pada kumparan
akan hilang sehingga pegas akan menarik saklar ke kontak ke posisi semula[17]. Gambar
2.5 menunjukkan mekanis dan simbol dari relay.
13
Gambar 2.5. Bentuk dan simbol relay[17].
2.7.
LCD (Liquid Crystal Display) Karakter 20x4
Pada skripsi ini menggunakan LCD karakter 20x4 sebagai penampil dan
antarmuka antara sistem dan pengguna. LCD ini memiliki 20 karakter per baris dan
memiliki 4 baris tampilan.
Konfigurasi pin LCD 20x4 ditunjukkan pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Konfigurasi pin LCD karakter 20x4.
No.Pin
Nama Pin
Keterangan
1
Vss
Ground, 0V
2
Vdd
Positive power pin, +5v
3
VO
Kontras
4
RS
Register Select
5
R/W
6
E
7
DB0
Data bit 0
8
DB1
Data bit 1
9
DB2
Data bit 2
10
DB3
Data bit 3
Read/Write
Enable input pin
14
2.8.
11
DB4
Data bit 4
12
DB5
Data bit 5
13
DB6
Data bit 6
14
DB7
Data bit 7
15
LED +
Catu daya positif LED
16
LED -
Catu daya negatif LED
Scanning Keypad 4x4
Scanning keypad digunakan sebagai media antarmuka sistem dengan pengguna.
Scanning keypad dibuat dengan 16 buah tombol yang disusun secara matrix, sehingga
didapatkan delapan pin yang akan dihubungkan dengan mikrokontroler, yaitu empat pin
baris dan empat pin kolom. Gambar 2.6 menunjukkan skema scanning keypad.
Gambar 2.6. Scanning Keypad 4x4.
15